復(fù)合材料主起落架整流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及方法

陸鵬鵬 王新年 衛(wèi)二冬 /

(中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司工程技術(shù)中心，西安 710089)

0 引言

民用飛機(jī)主起落架艙整流罩結(jié)構(gòu)通常布置在機(jī)身中段下部[1]，如圖1所示，其作用為包容主起落架艙、主起落架及其支撐結(jié)構(gòu)，在機(jī)身與主起落架艙、機(jī)身與主起落架及其支撐結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行整流。結(jié)構(gòu)組成一般分為整流罩、主起艙門，有的還布置有RAT(ram air turbine，沖壓空氣渦輪)艙門。隨主起落架聯(lián)動(dòng)收/放的部分為主起艙門，隨RAT聯(lián)動(dòng)收/放的部分為RAT艙門，其余部分均為整流罩[2]。

圖1 主起落架整流罩位置示意圖

國外ATR72飛機(jī)以及國內(nèi)在研的MA700飛機(jī)主起落架整流罩結(jié)構(gòu)形式類似，均由蒙皮、隔框加桁條組成，主起落架整流罩結(jié)構(gòu)蒙皮一般采用復(fù)合材料面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，隔框、桁條采用金屬結(jié)構(gòu)，隔框分為加強(qiáng)隔框和普通隔框，艙門采用金屬面板夾層結(jié)構(gòu)。

本文在充分考慮實(shí)現(xiàn)主起落架整流罩結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，提出了民用飛機(jī)主起落架整流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，介紹了通常采用的技術(shù)方案，包括結(jié)構(gòu)形式、選用材料、連接方式、雷電防護(hù)、結(jié)構(gòu)保護(hù)及維修方法等。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 總體要求

主起落架整流罩結(jié)構(gòu)一般尺寸較大，兩側(cè)外形曲率大，雖然不是主要承力結(jié)構(gòu)，但是功能性要求較多，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分滿足以下總體設(shè)計(jì)要求[3]：

1)保證飛機(jī)具有良好的氣動(dòng)外形；

2)滿足主起落架支撐結(jié)構(gòu)與整流罩的間隙要求及輪胎與整流罩的間隙要求；

3)滿足主起落架整流罩內(nèi)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的布置要求；

4)不參與飛機(jī)的總體傳力；

5)滿足結(jié)構(gòu)功能、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、重量等要求；

6)防止雨水或腐蝕性液體進(jìn)入整流罩內(nèi)部，滿足雷電防護(hù)要求，滿足裝配、維修和維護(hù)要求。

1.2 適航要求

主起落架整流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足CCAR25部以下條款要求[4]：

§25.305(a)(b)強(qiáng)度和變形；

§25.307(a)(d)結(jié)構(gòu)符合性的證明；

§25.571(a)(b)(c) 結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評(píng)定；

§25.581 閃電防護(hù)；

§25.601 設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)：總則；

§25.603 材料；

§25.607 緊固件；

§25.609 結(jié)構(gòu)保護(hù)；

§25.611 可達(dá)性措施；

§25.613材料的強(qiáng)度性能和設(shè)計(jì)值；

§25.619特殊系數(shù)；

§25.625接頭系數(shù)；

§25.729a(2)(3) 收放機(jī)構(gòu)的條款要求。

1.3 功能要求

主起落架整流罩結(jié)構(gòu)的主要功能要求是在機(jī)身與主起落架艙、機(jī)身與主起落架支撐結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行整流，以滿足機(jī)身的氣動(dòng)外形要求，同時(shí)還起著包容主起落架艙、主起落架及其支撐結(jié)構(gòu)，以防止雨水、冰雹和跑道碎石進(jìn)入后對(duì)罩內(nèi)設(shè)備和系統(tǒng)造成腐蝕、堵塞或損壞。為了滿足以上功能要求，需要考慮以下因素：

1)主起落架艙門的安裝和開啟軌跡與主起落架的安裝及收放軌跡相協(xié)調(diào)；考慮艙門卡滯對(duì)主起落架收放的影響；艙門應(yīng)有足夠的剛度，在使用中不會(huì)產(chǎn)生較大變形而影響到主起落架的收放[5]。

2)整流罩要有足夠的剛度，防止過大變形而影響到機(jī)身的氣動(dòng)外形。

3)整流罩應(yīng)有較好的沖擊韌性，能夠承受跑道碎石、冰雹等低能量重復(fù)沖擊對(duì)整流罩的沖擊損傷；考慮輪胎爆炸引起的碎片及爆破氣流對(duì)主起落架整流罩結(jié)構(gòu)的沖擊損傷。

4)考慮整流罩及其與機(jī)身連接的密封。

5)整流罩應(yīng)有規(guī)定的雷電防護(hù)要求。

6)防止燃油系統(tǒng)、管口等滲漏油與機(jī)輪摩擦火星相遇引起火焰，考慮結(jié)構(gòu)的阻燃要求。

7)降噪要求。

1.4 耐久性要求

現(xiàn)在民機(jī)主起落架整流罩結(jié)構(gòu)蒙皮大多采用碳纖維或者玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗疲勞和抗腐蝕特性，疲勞和腐蝕不是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐久性的主要問題，主要是復(fù)合材料的層間性能比較低，抗沖擊性能較差，特別是薄蒙皮和薄面板夾層結(jié)構(gòu)在常見的低能量沖擊下，容易產(chǎn)生表面目視可見的損傷，會(huì)給使用帶來大量維護(hù)和修理問題，降低飛機(jī)出勤率和增加維護(hù)費(fèi)用。對(duì)薄面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)而言，表面目視可見的沖擊損傷會(huì)使水分滲入內(nèi)部的蜂窩，引起面板與蜂窩的大面積撕開，不僅有維護(hù)問題，還會(huì)威脅結(jié)構(gòu)的安全。在分析主起落架整流罩低能量沖擊的損傷阻抗要求時(shí)，主要考慮冰雹和跑道碎石沖擊和輪胎拋出的碎片沖擊兩個(gè)方面[6]。

1.4.1 冰雹和跑道碎石沖擊

冰雹沖擊損傷阻抗設(shè)計(jì)要求：2倍設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)無功能性障礙，或不需要結(jié)構(gòu)修理；無目視可見損傷；無水分浸入，如水滴，否則會(huì)產(chǎn)生要求進(jìn)行維護(hù)的不可接受的結(jié)構(gòu)退化；無明顯損傷擴(kuò)展。

跑道碎石沖擊損傷阻抗設(shè)計(jì)要求：2倍設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)無功能性障礙，如果損傷目視可見，外場修理后不滲水；無明顯損傷擴(kuò)展。

1.4.2輪胎拋出的碎片沖擊

脫落的輪胎在正常情況下約有5 kg的碎塊，碰撞速度可能接近起飛或著陸速度，起落架輪胎碎片沖擊區(qū)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該按照表1進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1)所有由輪胎拋出碎片造成損傷的部位可以迅速更換或代替，不耗費(fèi)太長的飛機(jī)維護(hù)時(shí)間，所有位于沖擊區(qū)的夾層結(jié)構(gòu)采用芳綸紙或鋁蜂窩芯制成。

2)不要將天線或設(shè)備裝在易受輪胎碎片沖擊損傷的部位。

表1 起落架輪胎碎片沖擊區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

1.5 載荷情況

主起落架艙整流罩結(jié)構(gòu)主要承受氣動(dòng)載荷，不參與飛機(jī)的總體傳力；氣動(dòng)載荷通過整流罩蒙皮傳遞給整流罩骨架，進(jìn)一步通過骨架與機(jī)身框的連接，傳遞給機(jī)身，進(jìn)行擴(kuò)散。

2 技術(shù)方案

2.1 結(jié)構(gòu)布置

民用飛機(jī)主起落架整流罩結(jié)構(gòu)布置通常整體關(guān)于飛機(jī)對(duì)稱平面對(duì)稱。按照機(jī)身框位對(duì)應(yīng)布置加強(qiáng)隔框，及普通隔框，在飛機(jī)對(duì)稱平面兩側(cè)等距布置桁條。按照隔框和桁條的位置，對(duì)蒙皮進(jìn)行分塊。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

主起落架艙區(qū)域?qū)俚湍芰繘_擊區(qū)，起落架機(jī)輪拋出的碎片、跑道石子等易造成蒙皮的沖擊損傷，主起落架艙整流罩蒙皮面板選用玻璃纖維預(yù)浸料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，這樣可以提高結(jié)構(gòu)沖擊韌性，阻礙裂紋擴(kuò)展，提高斷裂應(yīng)變。另外，因?yàn)橹髌鹇浼苷髡止羌芎蜋C(jī)身蒙皮為金屬材料，為了防止整流罩蒙皮與金屬結(jié)構(gòu)接觸時(shí)出現(xiàn)電化腐蝕，在二者的接觸部位鋪貼玻璃布；為了防止拆卸引起孔區(qū)面板鋪層的損傷或開膠，所有螺栓孔處均嵌入鋼制的沉頭墊圈。在蒙皮的連接區(qū)，孔周有較大的應(yīng)力集中，為了降低層壓板承載能力，提高連接接頭的強(qiáng)度和柔性，在連接區(qū)增加鋪層層數(shù)，使連接區(qū)局部加厚，同時(shí)，要求±45°鋪層比例不低于40%，90°鋪層比例不低于10%，0°鋪層比例不低于25%。

整流罩骨架一般采用金屬材料，由加強(qiáng)隔框、普通隔框、縱向桁條等構(gòu)件組成，如圖3所示。在機(jī)身框位處布置加強(qiáng)隔框，加強(qiáng)隔框?yàn)榘鍙澕紤]工藝性、經(jīng)濟(jì)性等要求，在加強(qiáng)隔框的腹板上還設(shè)計(jì)有提高其剛度的“L”型支柱，框腹板上設(shè)計(jì)有帶彎邊的減輕孔；在機(jī)身框位處布置普通隔框，普通隔框之間布置縱向桁條，桁條與隔框之間通過“L”型角材連接在一起；桁條沿隔框分段，與隔框一起支撐整流罩蒙皮。

2.3 連接設(shè)計(jì)

2.3.1 整流罩蒙皮與機(jī)身連接以及蒙皮之間的對(duì)接

整流罩蒙皮的周邊通過“г”形角材與機(jī)身蒙皮連接，即角材一邊與機(jī)身蒙皮鉚接，另一邊與整流罩蒙皮螺栓連接，連接示意圖見圖4，以便于檢查、維護(hù)內(nèi)部系統(tǒng)零件，滿足可更換性要求。另外，整流罩蒙皮對(duì)接縫隙以及整流罩蒙皮與機(jī)身蒙皮連接縫隙部位，還設(shè)計(jì)有彈性橡膠密封墊，既可以水密，又有緩沖降噪的功效，連接形式如圖4中C-C剖面圖所示。

圖4 整流罩結(jié)構(gòu)連接示意圖

各塊蒙皮之間采用對(duì)接，對(duì)接形式如圖4中A-A、B-B剖面圖所示，弦向的對(duì)接通過加強(qiáng)隔框和“L”形的角材連接在一起，航向的對(duì)接通過“]”形截面的板彎件桁條進(jìn)行連接，所有蒙皮均可拆卸，蒙皮通過螺栓與整流罩骨架連接。

2.3.2 骨架隔框與機(jī)身的連接

主起落架艙整流罩加強(qiáng)框及普通框與機(jī)身蒙皮之間可以通過“L”型角材連接在一起，連接形式如圖5所示。

圖5 整流罩骨架框與機(jī)身連接示意圖

2.4 雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

主起落架整流罩結(jié)構(gòu)通常處于飛機(jī)雷電防護(hù)的2A區(qū)，故整流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須采取相應(yīng)的措施，一般采用在整流罩蒙皮外表面覆有保護(hù)膜并嵌入銅絲網(wǎng)，該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)直接影響著飛機(jī)的防雷電效果，對(duì)飛機(jī)的安全性有一定的影響。可以通過在生產(chǎn)中先進(jìn)行工藝試驗(yàn)，取得最佳的工藝方案，并在后續(xù)生產(chǎn)中嚴(yán)格執(zhí)行，以及進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證防雷電效果。

2.5 結(jié)構(gòu)保護(hù)設(shè)計(jì)

為保證主起落架整流罩內(nèi)部的系統(tǒng)零件不受潮濕環(huán)境的影響，所有蒙皮對(duì)縫間隙處均涂敷密封膠。蒙皮與機(jī)體的貼合面之間設(shè)計(jì)有彈性橡膠密封墊以保證密封及防止擦傷和磨損。所有托板螺母均選用氣密托板螺母。

2.6 維修性設(shè)計(jì)

在主起落架整流罩內(nèi)布置有機(jī)翼與機(jī)身連接的關(guān)鍵接頭以及系統(tǒng)的管路等，需要定期的檢查與維護(hù)。因此整流罩必須便于拆卸安裝，以滿足維護(hù)性要求。設(shè)計(jì)時(shí)注重考慮以下因素：1)對(duì)整流罩的蒙皮合理分塊，確保維修部位具有良好的可達(dá)性；2)在整流罩上須布置適當(dāng)?shù)目谏w，以便于維護(hù)操作；3)采用合理的連接結(jié)構(gòu)形式，以便于拆卸安裝；4)采用的緊固件應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，工具應(yīng)通用化，以降低維修成本。

3 抗沖擊設(shè)計(jì)方法

考慮主起落架整流罩的抗沖擊要求，一般主起落架整流罩蒙皮結(jié)構(gòu)，較好的是采用玻璃纖維預(yù)浸料假蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，但是考慮重量的影響，多采用碳纖維預(yù)浸料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，且一定在最外表面鋪貼一層玻璃布，以改善其沖擊韌性，滿足抗沖擊要求。同時(shí)，考慮底部常受機(jī)場地面沙石沖擊，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能相對(duì)較差，容易受損傷，故也有的是在主起落架整流罩底部結(jié)構(gòu)采用金屬加筋壁板，而在中上部采用復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

4 防潮濕設(shè)計(jì)方法

考慮主起落架整流罩結(jié)構(gòu)容易有水分進(jìn)入，通過對(duì)零件采用表面處理、涂相應(yīng)的底漆和面漆，所有緊固件進(jìn)行濕裝配等方法進(jìn)行潮濕的防護(hù)，對(duì)于復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，在內(nèi)表面要鋪一層Tedler膜進(jìn)行防潮處理。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中考慮防排水設(shè)計(jì)，譬如在結(jié)構(gòu)對(duì)縫處用密封膠進(jìn)行密封，對(duì)于復(fù)合材料件的切割邊緣也要用密封劑進(jìn)行密封處理，還有一些口蓋結(jié)構(gòu)，要在口蓋貼合面粘貼密封墊進(jìn)行貼合面密封以防水，在各封閉區(qū)最低點(diǎn)附近，在壁板上開設(shè)排水孔，保證水分能暢通排出。

5 結(jié)論

民用飛機(jī)主起落架艙整流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足相關(guān)頂層要求，考慮其功能、承載、耐久性、損傷容限設(shè)計(jì)要求的同時(shí)兼顧維修性、工藝性，同時(shí)保證設(shè)計(jì)方法具有一定的先進(jìn)性，且技術(shù)方案成熟可行，結(jié)構(gòu)布置合理，連接方式可靠，設(shè)計(jì)方法主要考慮其抗沖擊以及防潮濕設(shè)計(jì)等，從而使得主起落架整流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足其使用要求。